电动汽车麦弗逊前悬架设计及参数优化_陆建辉

机 械 工 程 学 报JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第48卷第8期2012年4月Vol.48 No.8 Apr. 2012DOI ：10.3901/JME.2012.08.098电动汽车麦弗逊前悬架设计及参数优化*陆建辉1 周孔亢1 郭立娜1 侯永涛2(1. 江苏大学汽车与交通工程学院 镇江 212013；2. 江苏大学机械工程学院 镇江 212013)摘要：根据整车设计参数及悬架设计理论，设计某款电动汽车的麦弗逊前悬架。

基于UG/Motion 利用UG 的开放接口开发相应的软件系统，实现麦弗逊前悬架运动学仿真模型的参数化设计、前轮外倾角与前束角的匹配设计和前悬架系统的运动学仿真分析；通过与ADAMS 的仿真结果相对比，验证系统的正确性；将遗传优化算法与多体运动学分析方法相结合，以前轮定位参数的变化量最小和车轮侧向滑移量最小为优化目标对麦弗逊前悬架的设计参数进行优化，通过对比初始设计与优化设计的仿真结果，验证优化方法的有效性。

优化分析显示，麦弗逊前悬架摆臂前后点坐标的变化，对前轮定位参数及车轮接地点滑移量随车轮跳动量的变化曲线都有影响。

关键词：电动汽车 麦弗逊悬架 运动学分析 遗传优化算法 中图分类号：U463Design and Parametric Optimization of McPherson FrontSuspension of Electric VehicleLU Jianhui 1 ZHOU Kongkang 1 GUO Lina 1 HOU Yongtao 2(1. School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 202013;2. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013)Abstract ：Based on the whole vehicle’s design parameters and suspension design theories, the McPherson front suspension of an electric vehicle is designed. Based on UG/Motion and using the open interface of UG , a software system is developed to realize the parametric design of the McPherson suspension’s kinematics simulation models, matching design of vehicle toe-in and camber and simulation analysis of the simulation models. The software system’s correctness is verified by comparing the simulation results with ADAMS. By means of combining genetic algorithm with kinematics of multi-body system and taking the minimum variation of the front wheel alignment parameters as well as minimum lateral displacement of the tires as the optimal object, the McPherson suspension’s design parameters are optimized. The validity of the optimum method is verified by comparing the simulation results of initial design and optimum design. The optimization results show that the coordinates of the McPherson suspension swing arm’s front and rear points have effects on the changes curve of front wheel alignment parameters as well as lateral displacement of the tires to the run out of automotive wheels.Key words ：Electric vehicle McPherson suspension Kinematics analysis Genetic algorithm optimization0 前言电动汽车作为一种以清洁能源为动力的交通工具，在一定程度上克服了传统内燃机汽车的环境污染和能源短缺问题，受到了国家的重视并被列为汽车工业的发展重点。

目前，现有电动汽车的开发* 江苏大学高级专业人才科研启动基金资助项目(10JDG064)。

20111123收到初稿，20120320收到修改稿大多以原有内燃机汽车的相应车型为基础[1]，但由于电动汽车车身整体布置及质量的不同，对影响车辆操稳性、平顺性等整车性能的悬架参数都需要进行优化。

目前，对麦弗逊独立悬架运动学分析通常采用基于空间机构运动学的数值计算方法[2-4]和基于多刚体动力学软件ADAMS 的仿真分析方法[5-6]。

从应用的角度看，空间机构运动学数值计算方法的缺点在于系统构建复杂，应用不够直观；采用多刚体动2012年4月陆建辉等：电动汽车麦弗逊前悬架设计及参数优化99力学软件ADAMS的仿真分析方法虽然应用方便，但由于其接口的限制，很难实现一些工程优化方法如遗传优化算法的集成。

为此，以UG/Motion为平台，利用其开放的应用程序接口UG/Open API开发了相应的软件界面，对某款电动汽车麦弗逊前悬架的运动学仿真模型进行快速参数化设计及仿真分析和优化。

1 前悬架设计该款电动车前悬架采用麦弗逊结构型式，具有结构简单、紧凑、占用空间少、非簧载质量小等优点，是现代汽车上广泛采用的一种悬架结构形式。

合理的几何参数是保证麦弗逊悬架具有良好运动学特性的重要因素，其运动特性的优劣关系到汽车操稳性、舒适性、转向轻便性和轮胎的使用寿命[4]。

表1所示为整车参数，根据该参数及悬架设计理论，设计获得悬架的前轮定位参数如表2所示。

表1整车参数参数数值轴距L/mm 1 765前轮距B/mm 1 325空载总质量m/kg 527满载总质量m a/kg 707空载前轴荷m e/kg 298满载前轴荷m f/kg 348表2前轮定位参数参数数值主销内倾角σ /(°) 15.0主销后倾角τ /(°) 9.5前轮外倾角γ /(°) 0.75前束角δ /(°) 0.1根据悬架参数及前轮定位参数在UG中建立的前悬架系统三维模型，如图1所示。

图1 前悬架系统三维CAD模型应用UG/Motion模块构建的麦弗逊前悬架运动仿真模型如图2所示。

图2中，A为减振器上支撑点，以橡胶衬套与车架相连，在仿真模型中处理为球铰，其位置固定；E点为减振器轴线与转向节轴线交点；转向横拉杆外端以球铰在F点与转向节相连；D为转向梯形断开点；H为摆臂的摆动中心；H1为摆臂的前点，H2为后点；摆臂外端以球铰在G点与转向节相连；Q为车轮中心；P点为外端面圆心，用于确定前轮外倾角和前束角，PQ间距离为车轮断面宽度的一半；J点为车轮接地点。

坐标系x轴指向车尾，z 轴垂直车架表面向上，y轴由右手定则确定。

图2 UG/Motion麦弗逊前悬架运动仿真模型为实现运动仿真模型的快速参数化设计，基于UG/Open API开发了如图3所示的“麦弗逊悬架参数化设计”对话框。

由于在建立仿真模型时，通过引用相应硬点来构建仿真模型的“连杆”(刚体)，修改硬点的相应坐标，即可实现仿真模型的参数化修改。

图3 “麦弗逊悬架参数化设计”对话框机 械 工 程 学 报 第48卷第8期100 摆臂在H 点的旋转副，其方向矢量通过引用H 1和H 2“两点”来确定，旋转副中心H 点使用“两点之间”的比例系数来确定，由于G 、H 两点间连线垂直于H 1和H 2两点间连线，当已知G 、H 1 和H 2三点坐标，应用矢量点积即可计算得到该比例系数，从而可确定旋转副中心H 点位置。

当已知这些A 、G 、Q 和P 四个硬点坐标，前轮定位参数的计算公式[7]为arctan arctan arctanarctan y y z zx x z z z zy y xx y y A G A G A G A G P Q P Q P Q P Q στγδ-⎧=⎪-⎪-⎪=⎪-⎪⎨-⎪=-⎪⎪-⎪=-⎪⎩ (1) 式中 σ ——主销内倾角τ ——主销后倾角 γ ——前轮外倾角δ ——前束角先有外倾后有前束，车轮前束角是为了克服外倾带来的不利影响而与外倾合理匹配设计的参数，用以保证车轮前轮纯滚动和正直行驶。

前束角与外倾角的匹配关系式[8]为(4)Ll r L l γδ=+ (2) 式中 L ——车辆轴距l ——轮胎接地印迹长度r ——车轮滚动半径 式(2)中，轮胎接地印迹长度采用科曼第半经验公式l = (3) 式中 D ——轮胎名义外径∆ ——转向轮胎在前桥垂直载荷作用下的径向变形量0.8510.70.450.6(0.5)CK F b D p ∆= (4) 式中 C ——系数，斜交轮胎取值7.22，子午线轮胎取值11.2 K ——系数K 0.00150.42b =+ b ——轮胎断面宽度1F ——车辆前桥垂直载荷p ——轮胎气压 如图4所示为“前束角与外倾角匹配关系”对话框。

该款电动车车轴轴距L =1 765 mm ；车轮滚动半径r =244.6 mm ；子午线轮胎，轮胎名义外径D =504 mm ，断面宽度b =150 mm ，气压为0.3 MPa ；车辆前桥垂直载荷1F =3 345 N 。

由式(2)～(4)计算获得前束角与外倾角的关系为0.1453δγ=，当γ=0.75°时，δ=0.109°。

图4 “前束角与外倾角匹配关系”对话框车轮外倾角和前束角确定后，P 点和Q 点的坐标差为0.5tan tan y b z yx y γδ⎧∆=-⎪∆=⨯∆⎨⎪∆=⨯∆⎩(5) 因取左悬架四分之一模型，式(5)中y ∆取负值，在Q 点坐标确定后，即可按式(5)，利用车轮外倾角和前束角，计算获得P 点坐标。